CN100496625C

CN100496625C - 半水硫酸钙基复合的自固化生物活性材料、制备及应用

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Publication number: CN100496625C
Application number: CNB2006100290673A
Authority: CN
Inventors: 常江; 郇志广
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2026-07-18
Also published as: CN1923302A

Abstract

本发明涉及一种半水硫酸钙基复合的自固化生物活性材料、制备方法及其应用。其特征在于所述的原位自固化生物活性材料是由调和液和半水硫酸钙/硅酸三钙复合粉体复合粉体组成的糊状物，调和液和半水硫酸钙/硅酸三钙的质量比为0.8-1.2∶1，所选的调和液为去离子水、模拟体液、无机盐溶液或有机物溶液中任意一种；半水硫酸钙/硅酸三钙复合粉体中硅酸三钙的质量含量为1-50%。所述的半水硫酸钙α或β。与现有材料相比，本发明提供的材料具有“生物活性优良，任意塑形，自行固化，无细胞毒性，逐步降解且降解速率可调”的特性，可以达到诱导类骨磷灰石生成的效果；其生物活性比硫酸钙类自固化骨修复材料优良，制备方法简单。

Description

半水硫酸钙基复合的自固化生物活性材料、制备及应用

技术领域

本发明涉及一种半水硫酸钙基复合的自固化生物活性材料、制备及其应用，更确切地说，本发明涉及人体硬组织缺损填充修复材料，即作为人体骨和牙缺损填充修复的生物活性材料，在骨科、牙科和微创治疗中的用途。属于医用生物材料领域。

背景技术

硫酸钙自固化骨水泥(Calcium Sulfate Cements，CSCs)作为一种骨缺损填充材料已经有一百多年的应用历史，其最早的相关研究可以追溯到1892年(Henry等，Clinical Pharmaco-kinetics 1995；29：36-45)。β-半水硫酸钙(CaSO₄·1/2H₂O，Calcium Sulfate Hemihydrate，CSH)是二水硫酸钙(CaSO₄·2H₂O，Calcium Sulfate Dihydrate，CSD)在干燥环境下加热脱水所得到的一种片状晶体，当与水混合时，它可以与水迅速发生反应生成二水石膏，反应式为：CaSO₄·1/2H₂O+3/2H₂O→CaSO₄·2H₂O这也是半水石膏水化凝固的反应机理(AJ Lewry，J Mater Sci 1994；29：5279-5284)。在临床应用上，这种材料具有为缺损部位提供结构支持的特点和良好的生物相容性，并且这类材料在植入后还具有良好的骨传导性。但是，这种材料在应用上仍然存在着一些缺陷，这主要体现在以下几个方面：首先，虽然这种材料凝固速度快，能在短时间内提供缺损部位结构支持，但骨水泥浆体可注射性差，并且缺乏对修复部位提供长期结构支持的能力；其次，这种材料虽然具有良好的生物相容性和骨传导性，但并不具备生物活性，对骨再生没有促进作用。第三，临床研究表明，这种材料在体内降解速度过快，容易导致修复部位出现大量液体渗出，并且在降解过程中大量释放的SO₄ ^2-，此外，这种材料还存在代谢的问题。

硅酸三钙(Ca₃SiO₅，Tricalcium Silicate，C₃S)是波特兰水泥中的主要成分之一，加入适量的调和液制备的糊状物具有任意塑形、自行固化等特点。当硅酸三钙粉体与水接触，微粒表层溶解并伴随离子迁移，具有纳米孔结构的钙硅酸盐水合物凝胶沉积在粉体微粒表面，同时氢氧化钙晶粒在水合物凝胶毛细孔区成核并长大；随着反应的进行，钙硅酸盐水合物凝胶聚合硬化，形成具有一定微孔和强度的块体材料钙硅水合物(Calcium Silicate Hydrate，C-S-H)(Barnes著，Structure and performance of cements.London：AppliedScience Publishers.1983)。研究表明，与生物活性玻璃和陶瓷类似，硅酸三钙也具有优良的生物活性(Zhao等，Mater Lett 2004；58：2350-2353)。硅酸三钙粉体与模拟体液接触，材料表面首先溶解，Ca²⁺和SiO₄ ^4-进入溶液；溶液中SiO₄ ^4-稳定性下降并发生聚合反应，富集在材料表面，在材料表面形成富硅的Si-O网络凝胶层；随着上述反应的进行和Ca²⁺持续溶解，材料表面附近溶液中的Ca²⁺、OH^-浓度提高，随后通过静电吸引Ca²⁺、PO₄ ^3-、HPO₄ ^2-与富硅活性表面作用并吸附在表面，沉积形成钙磷酸盐，它们再与溶液中的HPO₄ ^2-、CO₃ ^2-、OH^-相互作用，钙磷酸盐转化形成碳酸羟基磷灰石晶核，这种晶核不断长大，形成纳米级的类骨磷灰石层。硅酸三钙粉体表面诱导沉积的碳酸羟基磷灰石具有人体骨中纳米级针状磷灰石晶体相同的结构，从而保证了与人体骨组织中的胶原键合和外延生长。此外，硅酸三钙不仅具有优良的生物活性，还具有适度的硅离子释放和降解性能。

基于上述硫酸钙和硅酸三钙的特点，本发明提出的设想是能否以半水硫酸钙为主体，加入适量的硅酸三钙，以获得半水硫酸钙基复合自固化生物活性材料。加入硅酸三钙主要的作用在于：(1)改善硫酸钙骨水泥浆体的可注射性，适当延长其凝固时间，以适应更广泛的临床应用；(2)作为生物活性诱导成分，弥补硫酸钙骨水泥缺乏生物活性的缺陷；(3)利用硅酸三钙与硫酸钙不同的降解性，改善硫酸钙骨水泥降解速率过快的缺陷。从而引导出本发明的构思。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半水硫酸钙基(CSH/C₃S)复合自固化生物活性材料、制备方法及其应用。它将半水硫酸钙快速凝固、生物相容性优良与具有骨传导性的特点和硅酸三钙良好的自固化性能、生物活性和适度的降解性的特点结合起来，制备出一种新型的生物活性人体骨和牙缺损填充修复材料；通过调整复合材料粉体中硅酸三钙的含量的比例，可以制备出适合于骨科、口腔科以及微创治疗中应用的自固化材料。

基于上述发明目的，本发明提供了一种以半水硫酸钙为主体、加入硅酸三钙作为生物活性诱导物质，以水或各种溶液为调和液制备的原位固化生物活性材料，并且本发明还提供了原位固化生物活性半水硫酸钙/硅酸三钙材料的制备方法以及在骨/牙缺损填充、微创治疗的用途。

本发明提供的半水硫酸钙基复合的自固化生物活性材料既有优良的生物活性和生物相容性，又能根据需要，方便地制备成面团状或者可注射的水泥材料，满足临床进行骨、牙缺损修复手术的多种治疗需要。

本发明的技术方案如下所述：

1)半水硫酸钙粉体的制备

以分析纯二水硫酸钙(CaSO₄·2H₂O，CSD)为原料，采用干燥加热法制备半水硫酸钙。所述的半水硫酸钙包括α-半水硫酸钙和β-半水硫酸钙。其中，采用加热法制备α-半水硫酸钙(α-CaSO₄·1/2H₂O)粉体工艺条件是在0.2-0.3Mpa压力、135-145℃条件下密闭的蒸汽压力锅中加热二水硫酸钙，用SEM观察粉体粒度在1-300μm之间。

采用干燥加热法制备β-半水硫酸钙(β-CaSO₄·1/2H₂O)粉体的工艺条件是：首先，将二水硫酸钙粉体进行研磨，然后在140-160℃干燥环境下加热8-12h，在60℃下沉化4-6h。对粉体进行过筛，可得β-半水硫酸钙粉体。用SEM观察粉体粒度在1-300μm之间。

2)硅酸三钙粉体的制备

以分析纯硝酸钙及正硅酸乙酯为原料，并以硝酸作为催化剂采用溶胶—凝胶法制备硅酸三钙粉体。首先，去离子水中加入一定量硝酸，使溶液的pH值介于1.1-1.8范围内；然后再加入正硅酸乙酯，搅拌。再加入硝酸钙，搅拌。密封，60-80℃下陈化，直至凝胶出现。然后120℃干燥，球磨，之后在1400-1600℃下煅烧8小时以上得到硅酸三钙粉体。用XRD鉴定合成粉体为硅酸三钙(Ca₃SiO₅，C₃S)，粉体粒度在1-300μm之间，采用乙二醇-乙醇法测定粉体中游离CaO含量在0.1％以下。

3)半水硫酸钙/硅酸三钙复合粉料的制备

将上述两种粉体按硅酸三钙含量为1-50wt.％进行机械混合，混合时间控制在2-6小时为宜。

4)半水硫酸钙基自固化生物活性材料的制备

将上述合成的半水硫酸钙/硅酸三钙复合粉体和调和液按液固质量比为0.8-1.2：1的比例充分调和0.5-1分钟，即得到供修复人体组织缺损的半水硫酸钙基自固化生物活性材料。

本发明所制备的半水硫酸钙粉体颗粒为直径1-300μm，硅酸三钙粉体颗粒为直径为1-300μm，优先推荐的硅酸三钙粒径为1-10μm。

本发明所采用的半水硫酸钙/硅酸三钙复合粉体是按硅酸三钙含量1-50wt.％与α或β-半水硫酸钙粉体机械混合所得到的粉体。

本发明所用的人体骨缺损修复材料主要由半水硫酸钙/硅酸三钙复合粉体和调和液调浆制备成的糊状物，复合材料中硅酸三钙的含量为1-50％(质量比)，推荐的硅酸三钙的质量百分含量为30-50％。

本发明所用的半水硫酸钙/硅酸三钙自固化材料使用方法为将半水硫酸钙/硅酸三钙复合粉体与调和液按液固质量比为0.8-1.2:1的比例充分调和0.5-1分钟，即得到用于人体骨缺损修复的β-半水硫酸钙基自固化生物活性材料。

优选的液固比例(调和液/复合粉体)为：1.0-1.2：1(质量比)。

本发明所用的调和液是去离子水、无机盐(碳酸盐、氯化钙、磷酸盐等)溶液、有机物溶液(明胶、壳聚糖、透明质酸等)和模拟体液中的一种。以上述半水硫酸钙/硅酸三钙复合粉体和调和液混合后，调和0.5-1分钟，得到可作为修复人体骨缺损填充修复的相应骨水泥糊状物。

复合自固化生物活性材料注射性和凝固时间的测定：

将样品装入15mL容量的带有喷嘴内径(D)为2.0mm针头的注射器，对其注射性进行试验；按ISO9597-1989E推荐标准，采用Vicat针对上述骨水泥糊状物的初凝时间(I)和终凝时间(F)进行测试。

表1半水硫酸钙/硅酸三钙糊状物凝固时间与其硅酸三钙含量的关系(液固比＝1.0:1)

硅酸三钙含量(wt.％)	初凝时间(min)	终凝时间(min)
硅酸三钙含量(wt.％)	初凝时间(min)	终凝时间(min)	0	7	13
10	10	15	0	7	13
10	10	15	20	12	17
30	13	22	20	12	17
30	13	22	40	18	35
50	28	52	40	18	35

表1的结果表明，本发明所述的半水硫酸钙/硅酸三钙糊状物的凝固时间随硅酸三钙含量的提高而延长。图2的结果表明，当半水硫酸钙/硅酸三钙复合材料中硅酸三钙质量含量达到30-50％，半水硫酸钙/硅酸三钙糊状物可以注射。本发明的硅酸三钙质量百分含量为30-50％的糊状物材料可以注射并兼顾力学强度，适于微创手术；硅酸三钙含量为1-30％的面团状材料具有快速凝固的特点，能解决大体积骨缺损填充修复的问题。

复合自固化材料的生物活性测试：

对半水硫酸钙基自固化生物活性材料采用体外模拟体液(SBF)浸泡实验(Kokubo等，J Biomed Mater Res 1990；24：721-734)进行生物活性测试，并对浸泡后样品表面进行X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征。如图3和图4所示，本发明的半水硫酸钙基自固化生物活性材料表面能诱导类骨磷灰石生成，表明本发明的半水硫酸钙基自固化生物活性材料具有优良的生物活性。XRD图谱还显示材料表面含有碳酸钙，这是硅酸三钙自固化材料水化产物之一——氢氧化钙在模拟生理环境中与碳酸根反应转化成为碳酸钙，碳酸钙有利于骨细胞活性和矿化。

复合自固化材料的体外降解性测试：

对β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合自固化材料采用Ringer’s溶液进行体外降解性测试，以浸泡Ringer’s溶液一定时间后半水硫酸钙/硅酸三钙固化材料的质量损失比率检测这种复合材料的降解性。如图5所示，半水硫酸钙/硅酸三钙复合材料的降解速率随成分中硅酸三钙含量的提高而降低。图4的结果表明，在临床应用中可以根据不同治疗部位的需要调整β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合材料中硅酸三钙的含量来调节复合材料的降解性。

据此，本发明的复合自固化材料是一种新型的人体骨缺损修复材料，该材料具有优良的生物学性能，在人体模拟体液中能沉积类骨碳酸羟基磷灰石并且逐步降解，另外降解速率可以通过调整该材料中硅酸三钙的含量以满足不同治疗部位的要求。其生物活性比硫酸钙类自固化骨修复材料和微创治疗材料性能优良，制备工艺简单。(详见实施例)

按照上述内容，在不脱离本发明上述基本技术思想的前提下，根据本领域的普遍知识和技术手段，向半水硫酸钙/硅酸三钙复合粉体颗粒原料和调和液中添加其他生物相容性和治疗性药物组分，都属于本发明内容包括的多种形式的修改、替换和变更，均属于本发明的范围。

附图说明

图1半水硫酸钙/硅酸三钙骨水泥材料养护7天后的XRD图谱(硅酸三钙含量：20％wt.％)。

图2半水硫酸钙/硅酸三钙糊状物的可注射性曲线；液固比＝1.0:1。

图3养护7天后半水硫酸钙/硅酸三钙固化复合材料在SBF中浸泡4天时XRD图谱(硅酸三钙含量：20％wt.％)；液固比＝1.0:1。

图4养护7天后半水硫酸钙/硅酸三钙固化复合材料在SBF中浸泡4天时表面形貌(硅酸三钙含量：20％wt.％)；液固比＝1.0:1；图4-A，5000倍放大；图4-B，30000倍放大。

图5养护7天后半水硫酸钙/硅酸三钙固化复合材料在Ringer’s溶液中浸泡降解性曲线；液固比＝1.0:1。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐明本发明的内容，但这些实施例并不限制本发明的范围，凡基于本发明上述内容所实现的技术和制备的材料均属于本发明的保护范围。

实施例1

1)调和液配制

称取1.0g分析纯碳酸氢钠溶解于99.0mL去离子水中得到1.0％的碳酸氢钠溶液，消毒，密闭在消毒瓶中，备用。

2)β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合骨缺损填充材料的制备：

将硅酸三钙含量为20wt.％的β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合材料粉料和调和液按液固质量比为1.0：1的比例充分调和0.5-1分钟，注入模具，在37℃和100％湿度条件下养护7天以上(XRD图请见图1)，之后退模即得到用于骨缺损修复材料的β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合材料小球(CSH/C₃SPellets)。这种小球的抗压强度可达7.0～9.0MPa，21天后降解率可达90％以上，同时具有良好的生物活性(图5，曲线3)。

实施例2

1)调和液配制

2)β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合自固化材料的制备：

将硅酸三钙含量为40wt.％的β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合材料粉料和调和液按液固质量比为1.0：1的比例充分调和0.5-1分钟，即得到可用于微创治疗的β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合自固化材料。该自固化材料能够在注入缺损部位18分钟左右即达到初凝，自固化材料浆体在15分钟内可注射，自固化材料抗压强度可达10.0～12.0MPa，21天后降解率在80％以上，同时具有良好的生物活性(图5，曲线5)。

实施例3

1)调和液配制

2)β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合可降解材料的制备

将硅酸三钙含量为30wt.％的β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合材料粉料和调和液按液固质量比为0.8：1的比例充分调和0.5-1分钟，按照实施例1的方法，可以获得用于骨缺损修复材料的β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合材料颗粒，其抗压强度可达10.0～12MPa，21天后降解率可达90％以上；将硅酸三钙含量为30wt.％的β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合材料粉料和调和液按液固质量比为1.2：1的比例充分调和0.5-1分钟，按照实施例2的方法，即得到可用于微创治疗的β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合自固化材料，自固化材料浆体可在20分钟内达到初凝，在15分钟内可注射，自固化材料抗压强度可达8～10MPa，21天后降解率可达90％以上(图5，曲线4)。

实施例4

1)调和液的配制

以模拟体液作为调和液，模拟体液的离子浓度如下(pH＝7.25-7.4)：

表2 模拟体液的离子组成

离子种类	Na<sup>+</sup>	K<sup>+</sup>	Mg<sup>2+</sup>	Ca<sup>2+</sup>	Cl<sup>-</sup>	HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>	HPO<sub>4</sub><sup>2-</sup>
离子种类	Na<sup>+</sup>	K<sup>+</sup>	Mg<sup>2+</sup>	Ca<sup>2+</sup>	Cl<sup>-</sup>	HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>	HPO<sub>4</sub><sup>2-</sup>	离子浓度(mmol/L)	142.0	5.0	1.5	2.5	148.8	4.2	1.0

2)β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合可降解材料的制备

将硅酸三钙含量为10wt.％的β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合材料粉料和调和液按液固质量比为0.8-1.2:1的比例充分调和0.5-1分钟，注入模具，在37℃和100％湿度条件下养护7天以上，之后退模即得到用于骨缺损填充的β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合材料小球(CSH/C₃S Pellets)。这种小球的抗压强度可达7.0～12.0MPa，21天后降解率可达80％以上，同时具有良好的生物活性(图5，曲线2)。

实施例5

1)调和液的配制

将明胶(Gelatin)按0.1g/ml的浓度完全溶解于40℃的去离子水中，即得到作为调和液的明胶水溶液。

2)β-半水硫酸钙/硅酸三钙/明胶复合自固化材料的制备

将硅酸三钙含量为50wt.％的β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合材料粉料和调和液按液固质量比为1.0-1.2:1的比例充分调和0.5-1分钟，即得到可用于微创治疗的β-半水硫酸钙/硅酸三钙/明胶复合自固化材料。该自固化材料能够在注入缺损部位20分钟左右即达到初凝，自固化材料浆体在15分钟内可注射，自固化材料抗压强度可达7.0～10.0MPa，21天后降解率在80％以上，同时具有良好的生物活性(图5，曲线6)。

参考实施例(1，2，3，4，5)和本说明书中对β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合自固化材料性能的阐述，使用者可以根据不同的临床需要调整β-半水硫酸钙/硅酸三钙复合材料粉料中硅酸三钙的含量以及调和液与复合材料粉料的质量比例以达到最佳的治疗效果。

实施例6

1)调和液配制

配制模拟体液2L，置于塑料瓶中，0-4℃下储藏。

2)α-半水硫酸钙/硅酸三钙复合自固化材料的制备：

将硅酸三钙与α-半水硫酸钙按质量比95：5混合(α-半水硫酸钙含量为5％)，得到硅酸三钙/α-半水硫酸钙复合粉体。将复合粉料和调和液按液固质量比为1.2：1的比例调和0.5-1分钟，即得到硅酸三钙/β-半水硫酸钙复合自固化材料。此材料注射性好，初凝及终凝时间分别为60分钟及100分钟；养护28天后，抗压强度为31MPa。此材料可以注射并兼顾力学强度，适于微创手术。

Claims

1、一种半水硫酸钙基复合的自固化生物活性材料，其特征在于所述的原位自固化生物活性材料是由调和液和半水硫酸钙/硅酸三钙复合粉体组成的糊状物，调和液和半水硫酸钙/硅酸三钙复合粉体的质量比为0.8-1.2：1，所选的调和液为去离子水、模拟体液、无机盐溶液或有机物溶液中任意一种；半水硫酸钙/硅酸三钙复合粉体中硅酸三钙的质量百分数为1-50％；

所述的半水硫酸钙α或β型，粒径位1-300μm，硅酸三钙的粒径为1-300μm；

用作调和液的无机盐溶液为碳酸盐、氯化钙和磷酸盐中的任意一种；

用作调和液的有机物溶液为明胶、壳聚糖和透明质酸溶液中的任意一种。

2、根据权利要求1所述的半水硫酸钙基复合的自固化生物活性材料，其特征在于半水硫酸钙/硅酸三钙复合粉体中硅酸三钙质量百分数为30-50％。

3、根据权利要求1所述的半水硫酸钙基复合的自固化生物活性材料，其特征在于硅酸三钙的粒径1-10μm。

4、根据权利要求1所述的半水硫酸钙基复合的自固化生物活性材料，其特征在于调和液和半水硫酸钙/硅酸三钙的质量比为1.0-1.2：1。

5、制备如权利要求1所述的半水硫酸钙基复合的自固化材料的方法，其特征在于具体工艺步骤是：

1)半水硫酸钙粉体的制备

以分析纯二水硫酸钙(CaSO₄·2H₂O，CSD)为原料，采用干燥加热法制备α或β型半水硫酸钙，其中：

采用加热法制备α-半水硫酸钙(α-CaSO₄·1/2H₂O)粉体工艺条件是在0.2-0.3Mpa压力、135-145℃条件下密闭的蒸汽压力锅中加热二水硫酸钙；

采用干燥加热法制备β-半水硫酸钙(β-CaSO₄·1/2H₂O)粉体的工艺条件是：首先，将二水硫酸钙粉体进行研磨，然后在140-160℃干燥环境下加热8-12h，在60℃下沉化4-6h。对粉体进行过筛，可得β-半水硫酸钙粉体。用SEM观察粉体粒度在1-300μm之间；

2)硅酸三钙粉体的制备

以分析纯硝酸钙及正硅酸乙酯为原料，采用溶胶一凝胶法制备硅酸三钙粉体，首先，在去离子水中加入硝酸并控制溶液pH值范围为1.1-1.8，然后再加入正硅酸乙酯，搅拌；再加入硝酸钙，搅拌，密封，60-80℃下陈化，直至凝胶出现；然后干燥，球磨，之后在1400-1600℃下煅烧8小时以上得到硅酸三钙粉体；其粒径为1-300μm；

3)半水硫酸钙/硅酸三钙复合粉料的制备

将上述两种粉体按硅酸三钙含量为1-50wt.％进行机械混合，混合时间控制在2-6小时为宜；

4)半水硫酸钙基复合自固化生物活性材料的制备

将上述合成的半水硫酸钙/硅酸三钙复合粉体和调和液按液固质量比为0.8-1.2：1的比例充分调和0.5-1分钟，即得到供修复人体组织缺损的β-半水硫酸钙基复合自固化生物活性材料。

6、根据权利要求1所述的半水硫酸钙基复合自固化生物活性材料的应用，其特征在于用于微创手术治疗、骨缺损修复。

7、根据权利要求6所述的半水硫酸钙基复合自固化生物活性材料的应用，其特征在于微创治疗和骨缺损修复对降解速率通过调整复合粉体中硅酸三钙含量调节的。

8、根据权利要求7所述的半水硫酸钙基复合自固化生物活性材料的应用，其特征在于硅酸三钙质量百分含量为30-50％糊状物适用于微创手术治疗；硅酸三钙质量百分含量为1-30％的糊状物适用于骨缺损修复。